Phagentherapie – Teil 1
Grundlagen
| Klassifikationskriterien nach dem Baltimore-System | |
|---|---|
| dsDNA-Phagen (Klasse I): | Doppelsträngige DNA. Die mit Abstand größte und am besten erforschte Gruppe in der Phagentherapie (nahezu alle therapeutisch genutzten Phagen der Klasse Caudoviricetes fallen hierunter). |
| ssDNA-Phagen (Klasse II): | Einzelsträngige DNA. Oft sehr kleine, filamentöse (fadenförmige) oder ikosaedrische Phagen (z. B. Familie Inoviridae oder Microviridae). |
| dsRNA-Phagen (Klasse III): | Doppelsträngige RNA. Sehr selten bei Phagen (z. B. Familie Cystoviridae). |
| ssRNA-Phagen (Klasse IV): | Einzelsträngige RNA mit Positiv-Strang-Orientierung (z. B. Familie Leviviridae). |
Tab 1 Nukleinsäuretypen der Phagen
Bakteriophagen sind ein innovativer Ansatz der antimikrobiellen Behandlung. Die Erforschung und der klinische Einsatz der Phagentherapie ist aufgrund der neuen Leitlinie endlich nun auch in Deutschland realistischer. Infection&more wird darüber in 3 Teilen berichten: Grundlagen, Leitlinie und aktuelle Entwicklungen.
Bakteriophagen (kurz Phagen) sind Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen für ihre Vermehrung spezialisiert sind. Die Vielfalt der Phagen ist sehr groß und sie sind ubiquitär. Phagen verkörpern ein grundlegendes Prinzip der Natur, die Regulation der bakteriellen Biomasse und spielen eine wichtige Rolle in Ökosystemen.
Taxonomie
Das traditionelle, jahrzehntelang genutzte System der Einteilung basierte rein auf der sichtbaren Form des Phagen im Elektronenmikroskop (Morphologie). Die Klassifikation wurde jedoch im Jahr 2021 durch das International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) fundamental reformiert. Das moderne System ist ein genom- und proteombasiertes Klassifikationssystem. Phagen werden – genau wie humane Viren – primär nach der Art ihrer Nukleinsäure (Genom) und ihrer Replikationsstrategie (lytische oder temperente Phagen) eingeteilt (Tab. 1).
Morphologie
Abb 1 Die am häufigsten vorkom- menden Phagen besitzen neben dem Kapsid noch ein Schwanzsegment, das verschiedene Formen und Größen haben kann.
1 Kopf, 2 Schwanz, 3 Nukleinsäure (DNA), 4 Kapsid, 5 Kragen, 6 Scheide, 7 Schwanzfiber, 8 Spikes, Foto: Y_tambe - Y_tambe's bz commons.wikimedia.org
Bakteriophagen sind mit oftmals nur 30 bis 150 Nanometer nicht im Lichtmikroskop darstellbar. Sie bestehen aus einem Kopf, der das Erbgut des Phagen beinhaltet, das mit einer Proteinhülle (Kapsid) umschlossen ist. Meist handelt es sich bei dem Erbgut um doppelsträngige DNA (Abb. 1). Die am häufigsten vorkommenden Phagen besitzen neben dem Kapsid noch ein Schwanzsegment, das verschiedene Formen und Größen haben kann.
Replikation
Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Phagentypen: die rein virulent-lytischen Phagen und die temperenten Phagen mit zwei möglichen Lebenszyklen. Beide Phagentypen können doppel- oder einzelsträngige DNA (dsDNA/ssDNA) bzw. RNA tragen, therapeutisch genutzt werden bisher stets dsDNA-Phagen mit einer Kopf-Schwanz-Struktur und die ausschließlich rein lytischen.
Der bakterielle Zelltod (Bakteriolyse) wird mit der Injektion der Phagennukleinsäure in die Zelle eingeleitet. Es folgt die Transkription durch ein Phagen-RNA-Template und die Aktivierung spezifischer Restriktionsenzyme zum Abbau der bakteriellen DNA. Die Phagenreplikation erfolgt durch Zusammenbau von Kapsid und Phagenschwanz, die Komplettierung durch Kombination von Kapsid und Schwanz, die Einschleusung der Phagen-DNA in das Kapsid und schließlich die enzymatisch gesteuerte Ausschleusung der neu gebildeten Phagenpartikel, wobei die bakterielle Zellmembran lysiert wird, die Bakterienzelle platzt.
Bei temperenten Phagen unterscheidet man zwischen lysogenen und lytischen Vermehrungs- beziehungsweise Infektionszyklen, sie können also mehr als rein lytische Phagen. Beim lysogenen Zyklus wird die DNA des Phagen in das Chromosom des Bakteriums eingebaut, wodurch ein sog. Prophage entsteht. Bei jeder folgenden Zellteilung werden die Gene des „ruhenden“ Phagen und die des Bakteriums gemeinsam verdoppelt und weitergegeben. Dieser Zyklus kann später in den lytischen Zyklus münden (Abb. 2). Man spricht dann von Phageninduktion, hervorgerufen durch diverse Stressfaktoren der Bakterienzelle.
Phagom
Der Mensch lebt in direkter Symbiose mit
Phagen. Die Schleimhäute als Eintrittspforten für Bakterien
beispielsweise sind Orte verstärkter Abwehr, unter anderem durch dort
akkumulierte Phagen. Ein Mikrobiom enthält somit in der Regel auch eine
Phagenpopulation, die man als Phagom bezeichnet. Beide Populationen –
Bakterien und Phagen – beeinflussen sich wechselseitig, ebenso innerhalb
des Phagoms wiederum die lytischen und temperenten Phagen. Genaue
Erkenntnisse liegen hier noch nicht vor. Auch ist aufgrund der extremen
Komplexität noch wenig erforscht, welche Auswirkungen eine
Phagentherapie auf das jeweilige Phagom und damit das Mikrobiom hat.
Abb. 2 Vermehrungszyklen von Phagen: Dabei wird in Phagen unterschieden, die ausschließlich den lytischen Zyklus zur Vermehrung nutzen, und in Phagen, die ihr Erb- gut ins Genom des Wirtes integrieren können, ohne ihn zu zerstören (lysogener Zyklus).© Rieper, Korf, Wienecke, Ziehr
Spezifität
Phagen agieren nach einem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“, d.h. sie sind in der Regel speziesspezifisch, oft sogar für nur wenige Stämme innerhalb einer Bakterienspezies. Einige Phagen binden auch an eine größere Zahl an Stämmen, z.B. Staphylococcus aureus oder Pseudomonas aeruginosa. Andere Phagen wiederum sind sehr stammspezifisch, z.B. Klebsiella-Phagen. Solch sehr enge Wirtsspektren erschweren Phagentherapie in der präklinischen Phase, wenn geeignete Phagen gesucht bzw. gefunden werden müssen. Zum therapeutischen Einsatz muss daher ein auf den Infektionserreger spezifischer Phage „gezüchtet“ werden.
Therapeutischer Einsatz
Die Wirkung der „Bakterienparasiten“ wurde erstmals im Jahr 1917 von Félix Hubert d’Hérelle beschrieben. Da Phagen hochspezifisch bestimmte Bakterien angreifen, gelten sie als vielversprechende Ergänzung bzw. Alternative zu Antibiotika, insbesondere angesichts der zunehmenden Verbreitung antibiotikaresistenter Erreger.
Bisher therapeutisch genutzte Phagen sind
ausnahmslos dsDNA-Phagen mit Kopf-Schwanz-Struktur. Ein wichtiger Grund
dafür ist die außergewöhnliche physikalische Stabilität dieser Bauform
gegenüber pH- und Temperaturschwankungen sowie sogar höheren Drucken,
was die Herstellung, Lagerung und inhalative Anwendung erleichtert. Im
Vergleich dazu sind RNA-Phagen weniger erforscht, weniger
physikalisch-chemisch stabil und damit für den therapeutischen Einsatz
weniger geeignet. Im Zuge der Strategie-Routine der Phagensuche gegen
einen Bakterienstamm im Labor werden ohnehin meist die (gewünschten)
dsDNA-Phagen gefunden.
| Benennung von Therapie-Phagen (Nomenklatur)
(VB/Wirtsbakterium/Phagenklasse/Phagenname) |
|
|---|---|
| vB: | „virus of Bacteria“. |
| Wirtsbakterium: | Kürzel für Gattung und Spezies des Wirts (z. B. Eco für Escherichia coli oder Pae für Pseudomonas aeruginosa). |
| Phagenklasse: | Ein Buchstabe für den morphologischen/genetischen Typ (z. B. M für Myovirus-ähnlich, S für Siphovirus-ähnlich, P für Podovirus-ähnlich). |
| Phagenname: | Eine eindeutige Kennung des Labors (z. B. „T4“ oder „phiX174“). |
| Beispiel: | vB_PaeM_Strato1 beschreibt einen virus of Bacteria, der Pseudomonas aeruginosa infiziert, morphologisch Myovirus-ähnlich ist und den Labornamen Strato1 trägt. |
Tab 2 Benennung von Phagen
Neben der physikalischen Stabilität ist auch die Spezifität und die Dosis von entscheidender Bedeutung. Zunächst muss ein spezifischer Phage für das anzugreifende Bakterium gefunden/gezüchtet werden. Mittlerweile gibt es hier bereits verschiedene Phagenbanken, die in der Regel an ein universitäres Zentrum bzw. Forschungseinrichtung angeschlossen sind. Um in der wissenschaftlichen Literatur und in Phagenbanken ein Authentifizierungs-Chaos zu vermeiden, folgt die Benennung von Phagenisolaten heute einem standardisierten Schema (Tab 2).
Dosis
Jeder intakte lysefähige Phage verursacht ein Loch im Bakterienrasen, genannt Plaque. Plaque-Morphologien von Phagen sind Erkennungsmerkmale und Plaque-Zahlen sind nötig für exakte Phagentiterbestimmungen. Die MOI („multiplicity of infection“) bezeichnet das Verhältnis der Anzahl eingesetzter Phagenpartikel zur Anzahl der Bakterienzellen. Ihre Ermittlung ist angesichts der dynamischen und multifaktoriellen Kinetik der Phage-Wirt-Entwicklung komplex. Ziel ist aus Gründen der Herstellungsökonomie und des medizinischen Einsatzes, eine möglichst geringe Phagendosis einzusetzen. Zu berücksichtigen ist ferner die EOP („efficiency of plating“), die die lytische Effizienz eines Phagen im Vergleich zwischen einem definierten Referenzwirt und einem Teststamm-Panel bezeichnet. Dabei kann eine Mischung aus schnell und langsamer lysierenden Phagen durchaus sinnvoll sein, da langsam lysierende Phagen noch nicht lysierte Bakterienzellen angreifen können.
Resistenz
Bakterien und Phagen haben sich gemeinsam entwickelt. Es gibt eine Reihe von bakteriellen Phagenabwehrsystemen. Phagenresistenz ist daher ein verbreitetes Phänomen. Vor dem therapeutischen Einsatz eines Phagenpräparates muss daher die zu erwartende Phagenresistenz untersucht werden. Die BIM-Frequenz („bacteriophage insensitive mutants“) bezeichnet, wie häufig resistente Mutanten in einer Bakterienpopulation im Zeitverlauf bzw. Therapieverlauf vermutlich entstehen. Dieser Laborparameter erscheint wichtig, jedoch mag er aufgrund der hohen Komplexität des Geschehens unter der Therapie letztlich nicht der Grund für eine Unterlassung einer Phagentherapie sein.
Kombinationen
Viel spricht für die therapeutische Anwendung von sog. Phagencocktails bestehend aus zwei bis mehreren Phagen, denn verschiedene Phagen können sich synergistisch verstärken. Die Kombination von Phagenpräparaten (inkl. „Cocktails“) mit Antibiotika ist oft sehr sinnvoll und ein zentrales Forschungsfeld der letzten Jahre. Dabei werden viele Parameter untersucht und immer bezogen auf die Bakterienspezies bzw. den Stamm und die Phagen, die Pharmakokinetik und – dynamik, z.B. welche der beiden Therapien kommt zuerst, wann muss die andere einsetzen usw..
Nebenwirkungen
Im Mikrobiom ergibt sich immer eine gewisse Verschiebung, diese lässt sich nicht sicher vorhersagen, aber sie wird vermutlich deutlich weniger dramatisch sein als bei Antibiotika aufgrund der Spezifität der Phagen.
Ausblick
Die Phagentherapie ist immer eine individuell auf einen Patienten zugeschnittene Therapie. Studien mit dem klassischen herkömmlichen Design sind daher schwierig. Eine erste Placebo-kontrollierte Phase-1-Studie in Deutschland ist PHAGE4CURE-001. Dabei wurde eine nach GMP-Kriterien hergestellte, inhalierbare Mischung aus drei unterschiedlichen Bakteriophagen gegen Pseudomonas aeruginosa in der Lunge eingesetzt. Im neuen Projekt REPhRAME sollen Phagentherapie allein, Phagen in Kombination mit Antibiotika sowie Phagentherapie mit anschließender Wiederherstellung des Mikrobioms bei Harnwegsinfekten verglichen werden.
Die größte Hürde für die klinische Routine-Anwendung ist die fehlende Zulassung durch die zuständigen Behörden. Eine Zulassung wie bei Medikamenten ist unwahrscheinlich, da jeder Phage einzeln validiert werden müsste. In Deutschland war die Züchtung und der Einsatz von Phagen im Vergleich zu anderen Ländern besonders restriktiv geregelt. Die neue Leitlinie, die voraussichtlich noch im Herbst 2026 publiziert werden soll, verbessert diese Situation. Auch international gibt es von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der Global Antimicrobial Resistance Research and Development Hub (Global AMR R&D Hub) Bestrebungen, die regulatorischen und gesetzlichen Anforderungen zum breiteren Einsatz von Phagen zur Bekämpfung antimikrobieller Resistenzen zu unterstützen.
Literatur bei der Verfasserin
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